Kimia Fisika Koloid

Oleh: Ni Nyoman Puspawati, S.TP., M.Si.

IV. FENOMENA ANTARMUKA

Dua fase atau lebih --Dua fase atau lebih -- jika bersama- jika bersama-sama, maka batas antara fase2 tsb sama, maka batas antara fase2 tsb disebut dg antarmukadisebut dg antarmuka

Sifat2 molekul yg membentuk Sifat2 molekul yg membentuk antarmuka tsb berbeda dengan antarmuka tsb berbeda dengan molekulyg berada dlm tiap fase.molekulyg berada dlm tiap fase.

molekul yg membentuk antarmuka molekul yg membentuk antarmuka dikatakan membentuk fase dikatakan membentuk fase antarmukaantarmuka

Batas antara zat cair atau zat padat Batas antara zat cair atau zat padat dengan udara lazimnya disebut dengan udara lazimnya disebut permukaan.permukaan.

Sedangkan batas antara zat cair lain yang Sedangkan batas antara zat cair lain yang tidak bercampur atau antara zat padat tidak bercampur atau antara zat padat dengan zat cair disebut antar permukaandengan zat cair disebut antar permukaan

Antarmuka dapat terjadi antara: Antarmuka dapat terjadi antara:

zat cair dan gaszat cair dan gas

zat cair dan zat cairzat cair dan zat cair

zat cair dan zat padatzat cair dan zat padatKombinasi2 ini dapat dibagi menjadi 2 Kombinasi2 ini dapat dibagi menjadi 2

golongan yaitu: golongan yaitu:

antarmuka cair dan antarmuka cair dan

antarmuka padatantarmuka padat

Antarmuka zat cair Tegangan mukaTegangan muka

Didalam zat cair, suatu molekul dikelilingi oleh Didalam zat cair, suatu molekul dikelilingi oleh molekul lainnya yang sejenis dari segala arah molekul lainnya yang sejenis dari segala arah sehingga gaya tarik menarik antar sesama sehingga gaya tarik menarik antar sesama molekulnya sama besar. molekulnya sama besar.

Pada permukaan zat cair terjadi tarik-menarik Pada permukaan zat cair terjadi tarik-menarik antara molekul cairan dengan molekul udara.antara molekul cairan dengan molekul udara.

Gaya adhesi lebih kecil dibandingkan dengan Gaya adhesi lebih kecil dibandingkan dengan gaya kohesi sehingga molekul dipermukaan zat gaya kohesi sehingga molekul dipermukaan zat cair cenderung tertarik kearah dalam. cair cenderung tertarik kearah dalam.

Gaya tarik antara molekul Gaya tarik antara molekul

a. molekul ditengah zat cair b.molekul dipermukaan zat cair

Tetapi hal ini tidak terjadi karena adanya Tetapi hal ini tidak terjadi karena adanya gaya yang bekerja sejajar dengan gaya yang bekerja sejajar dengan permukaan zat cair yang mengimbangi permukaan zat cair yang mengimbangi besarnya gaya kohesi antar molekul besarnya gaya kohesi antar molekul didalam zat cair terhadap molekul didalam zat cair terhadap molekul sejenisnya dipermukaan. sejenisnya dipermukaan.

Gaya tersebut dinamakan tegangan muka Gaya tersebut dinamakan tegangan muka (dg satuan: dyne/cm)(dg satuan: dyne/cm)

Tegangan antarmuka (γ) adalah:

gaya persatuan panjang yang terjadi pada antarmuka antara 2 fase cair

yang tdk dapat tercampur.γ = F/dSatuan : N/m, J/m2

dyne/cm, erg/cm2

Gaya tegangan permukaanTegangan permukaan (Tegangan permukaan (γ) dirumuskan:

γ = F/d γ = F/2l ---- utk 2 permukaan cairan

Tegangan permukaan dpt didefinisikan:sbg usaha (W) yg diperlukan utk

memperbesar satu satuan luas permukaan cairan (Gambar kawat U)W = F. x = 2 γl.x ---- maka: γ = W/2.l.x

= W/ΔA

Tegangan antar permukaan selalu lebih kecil daripada tegangan permukaan karena gaya adhesi antara 2 fase cair yg membentuk antarmuka lebih besar dari gaya adhesif antara fase cair dan fase gas yg membentuk antarmuka

Jika 2 macam zat cair dapat tercampur Jika 2 macam zat cair dapat tercampur sempurna --sempurna -- maka tidak akan ada maka tidak akan ada tegangan antarmuka diantara merekategangan antarmuka diantara mereka

Miniscus dan sudut kontak

Pada umumnya permukaan zat cair datar Pada umumnya permukaan zat cair datar ---- tapi bila zat cair bersentuhan dg zat tapi bila zat cair bersentuhan dg zat padat atau dinding bejana, maka padat atau dinding bejana, maka permukaan pada bagian tepi yg permukaan pada bagian tepi yg bersentuhan dg dinding akan melengkung bersentuhan dg dinding akan melengkung (peristiwa miniskus)(peristiwa miniskus)

Miniskus adalah: Miniskus adalah: gejala melengkungnya permukaan gejala melengkungnya permukaan

zat zat caircair

Miniskus ada 2:Miniskus ada 2:

miniskus cekung (g. adhesi > g. kohesi)miniskus cekung (g. adhesi > g. kohesi)

miniskus cembung (g adhesi< g kohesi)miniskus cembung (g adhesi< g kohesi)Besar kecekungan dan kecembungan Besar kecekungan dan kecembungan

permukaan cairan ketika bersentuhan dg zat permukaan cairan ketika bersentuhan dg zat padat --padat -- trgantung pd besar kecilnya trgantung pd besar kecilnya sudut kontak (sudut kontak (θθ))

Sudut kontak (Sudut kontak (θθ) adl: ) adl:

sudut yg dibentuk oleh permukaan sudut yg dibentuk oleh permukaan cairan cairan yg bersentuhan dg permukaan yg bersentuhan dg permukaan bidang bidang padatanpadatan

miniskus cekungminiskus cekung miniskus cembungminiskus cembung

Sudut kontak dapat dihitung dg Sudut kontak dapat dihitung dg persamaan:persamaan:

γγ caircair cos cos θθ + + γγ padat-cairpadat-cair = = γγ padatpadat

maka : cos maka : cos θθ = = γγ padat padat - - γγ padat-cairpadat-cair

γγ caircair

Miniskus cekung : Miniskus cekung : θθ < 90 < 90Miniskus cembung : Miniskus cembung : θθ > 90 > 90

Tegangan permukaan cairan dapat diukur Tegangan permukaan cairan dapat diukur dengan cara:dengan cara:

1. Metode drop out1. Metode drop out

2. Metode buble pressure2. Metode buble pressure

3. Metode Kenaikan kapiler 3. Metode Kenaikan kapiler 

4. Tensiometer DoNouy (M wilhelmy)4. Tensiometer DoNouy (M wilhelmy)

Kenaikan atau penurunan Kapiler

Sebatang pipa kapiler jika dimasukkan dlm Sebatang pipa kapiler jika dimasukkan dlm cairan maka permukaan cairan dlm pipa cairan maka permukaan cairan dlm pipa dapat naik ataupun turun.dapat naik ataupun turun.

Kapilaritas adalah:Kapilaritas adalah:

peristiwa naik turunnya permukaan peristiwa naik turunnya permukaan cairan dalam pipa kapiler.cairan dalam pipa kapiler.

Miniskus cekung (Miniskus cekung (θθ < 90) -- < 90) -- cairan naik cairan naikMiniskus cembung (Miniskus cembung (θθ > 90) - > 90) - turun turun

Kenaikan atau penurunan cairan Kenaikan atau penurunan cairan disebabkan krn tegangan permukaan yg disebabkan krn tegangan permukaan yg bekerja pd permukaan cairan yg bekerja pd permukaan cairan yg menyentuh dinding pipa kapiler.menyentuh dinding pipa kapiler.

Peristiwa naiknya cairan --Peristiwa naiknya cairan -- sebesar F1 sebesar F1Peristiwa ini diimbangi dg berat cairan itu Peristiwa ini diimbangi dg berat cairan itu

sendiri ---sendiri --- sebesar F2 sebesar F2

F1 = 2F1 = 2ππrrγγ cos cos θθ F2 = d.V.g --F2 = d.V.g -- ππrr22 h.d.g h.d.g

Pada keadaan setimbang: F1 = F2Pada keadaan setimbang: F1 = F2

22ππrrγγ cos cos θθ = = ππrr22 h.d.g h.d.g

maka : maka :

γγ = r.h.d.g = r.h.d.g

2 2 cos cos θθ

Dimana:Dimana:F1 = gaya keatas akibat tegangan permukaanF1 = gaya keatas akibat tegangan permukaan

F2 = gaya akibat berat cairan (gaya kebawah)F2 = gaya akibat berat cairan (gaya kebawah)r = jari-jari kapilerr = jari-jari kapiler

γγ = tegangan permukaan = tegangan permukaanθθ = sudut kontak = sudut kontakd = rapatan cairand = rapatan cairang = percepatan gravitasig = percepatan gravitasih = kenaikan atau penurunan cairan dlm h = kenaikan atau penurunan cairan dlm kapiler kapiler

Metode WilhelmyMetode Wilhelmy

Didasarkan pada gaya yg dibutuhkan utk Didasarkan pada gaya yg dibutuhkan utk menarik plat tipis dari permukaan cairan.menarik plat tipis dari permukaan cairan.

Saat plat ditarik keluar dari cairan Saat plat ditarik keluar dari cairan diperlukan gaya sebesar:diperlukan gaya sebesar:

F = W + 2.l.F = W + 2.l.γγ

maka :maka :

γγ = F – W = F – W

2.l2.l

Dimana:Dimana:γγ = tegangan permukaan = tegangan permukaanF = gaya tarik yg dicatatF = gaya tarik yg dicatatW = berat lempeng (plat)W = berat lempeng (plat)l = lebar lempengl = lebar lempeng2 = faktor krn ada 2 permukaan pd 2 = faktor krn ada 2 permukaan pd lempeng lempeng

SURFAKTAN

Molekul2 atau ion2 yg diadsorbsi pada Molekul2 atau ion2 yg diadsorbsi pada antarmuka dinamakan antarmuka dinamakan surface active surface active agentagent atau surfaktan ---- atau surfaktan ---- amfifil. amfifil.

Menunjukkan bahwa molekul atau ion tsb Menunjukkan bahwa molekul atau ion tsb memiliki afinitas/kecocokan tertentu thd memiliki afinitas/kecocokan tertentu thd baik solven polar maupun nonpolar.baik solven polar maupun nonpolar.

Surfaktan Surfaktan (surface active agents)(surface active agents),, zat zat yang dapat mengaktifkan permukaan, yang dapat mengaktifkan permukaan, karena cenderung untuk terkonsentrasi karena cenderung untuk terkonsentrasi pada permukaan atau antar muka. pada permukaan atau antar muka. Surfaktan mempunyai orientasi yang jelas Surfaktan mempunyai orientasi yang jelas sehingga cenderung pada rantai lurus. sehingga cenderung pada rantai lurus.

Surfaktan merupakan zat penurun tegangan permukaan yang dapat diproduksi melalui sintesis kimiawi maupun biokimiawi.

Karakteristik utama surfaktan adalah memiliki gugus polar dan non polar pada molekul yang sama.

Sifat aktif permukaan yang dimiliki surfaktan diantaranya mampu menurunkan tegangan permukaan, tegangan antarmuka dan meningkatkan kestabilan sistem emulsi.

Surfaktan dapat digolongkan menjadi dua Surfaktan dapat digolongkan menjadi dua golongan besar, yaitu:golongan besar, yaitu:

1. Surfaktan yang larut dalam minyak1. Surfaktan yang larut dalam minyak

2. Surfaktan yang larut dalam air.2. Surfaktan yang larut dalam air.Surfaktan yang larut dalam minyakSurfaktan yang larut dalam minyak

Ada tiga yang termasuk dalam Ada tiga yang termasuk dalam golongan ini, yaitu senyawa polar golongan ini, yaitu senyawa polar berantai panjang, senyawa berantai panjang, senyawa fluorokarbon, dan senyawa silikon.fluorokarbon, dan senyawa silikon.

Surfaktan yang larut dalam pelarut airSurfaktan yang larut dalam pelarut airGolongan ini banyak digunakan antara lain: Golongan ini banyak digunakan antara lain: sebagai zat pembasah, sebagai zat pembasah,

zat pembusa, zat pembusa, zat pengemulsi, zat pengemulsi, zat anti busa, zat anti busa, detergen, detergen, pencegah korosipencegah korosi

Ada empat yang termasuk dalam golongan ini, yaitu Ada empat yang termasuk dalam golongan ini, yaitu surfaktan 1. anion yang bermuatan negatif, surfaktan 1. anion yang bermuatan negatif, 2. surfaktan yang bermuatan positif, 2. surfaktan yang bermuatan positif, 3. surfaktan nonion yang tak terionisasi dalam 3. surfaktan nonion yang tak terionisasi dalam larutan, dan 4. surfaktan amfoter yang bermuatan larutan, dan 4. surfaktan amfoter yang bermuatan negatif dan positif negatif dan positif bergantung pada pH-nya.bergantung pada pH-nya.

Surfaktan menurunkan tegangan Surfaktan menurunkan tegangan permukaan air dengan mematahkan permukaan air dengan mematahkan ikatan-ikatan hidrogen pada permukaan. ikatan-ikatan hidrogen pada permukaan.

Hal ini dilakukan dengan menaruh kepala-Hal ini dilakukan dengan menaruh kepala-kepala hidrofiliknya pada permukaan air kepala hidrofiliknya pada permukaan air dengan ekor-ekor hidrofobiknya terentang dengan ekor-ekor hidrofobiknya terentang menjauhi permukaan air. menjauhi permukaan air.

Sabun dapat membentuk misel (micelles), Sabun dapat membentuk misel (micelles), Suatu molekul sabun mengandung suatu rantai Suatu molekul sabun mengandung suatu rantai

hidrokarbon panjang plus ujung ion. hidrokarbon panjang plus ujung ion. Bagian hidrokarbon dari molekul sabun bersifat Bagian hidrokarbon dari molekul sabun bersifat

hidrofobik dan larut dalam zat-zat non polar, hidrofobik dan larut dalam zat-zat non polar, sedangkan ujung ion bersifat hidrofilik dan larut sedangkan ujung ion bersifat hidrofilik dan larut dalam air. dalam air.

Karena adanya rantai hidrokarbon, sebuah Karena adanya rantai hidrokarbon, sebuah molekul sabun secara keseluruhan tidaklah molekul sabun secara keseluruhan tidaklah benar-benar larut dalam air, tetapi dengan benar-benar larut dalam air, tetapi dengan mudah akan tersuspensi di dalam air.mudah akan tersuspensi di dalam air.

Secara umum misel dibedakan menjadi Secara umum misel dibedakan menjadi dua, yaitu: struktur lamelar dan sterik dua, yaitu: struktur lamelar dan sterik seperti telihat pada gambar dibawah ini:seperti telihat pada gambar dibawah ini:

Struktur misel, (a) sterik (b) lamelar

Sifat Larutan Yang Mengandung Surfaktan

Larutan surfaktan dalam air menunjukkan perubahan Larutan surfaktan dalam air menunjukkan perubahan sifat fisik yang mendadak pada daerah konsentrasi yang sifat fisik yang mendadak pada daerah konsentrasi yang tertentu. Perubahan yang mendadak ini disebabkan oleh tertentu. Perubahan yang mendadak ini disebabkan oleh pembentukan agregat atau penggumpalan dari pembentukan agregat atau penggumpalan dari beberapa molekul surfaktan menjadi satu, yaitu pada beberapa molekul surfaktan menjadi satu, yaitu pada konsentrasi kritik misel (CMC) .konsentrasi kritik misel (CMC) .

Pada konsentrasi kritik misel terjadi penggumpalan atau Pada konsentrasi kritik misel terjadi penggumpalan atau agregasi dari molekul-molekul surfaktan membentuk agregasi dari molekul-molekul surfaktan membentuk misel. Misel biasanya terdiri dari 50 sampai 100 molekul misel. Misel biasanya terdiri dari 50 sampai 100 molekul asam lemak dari sabun asam lemak dari sabun

Hal ini membuat surfaktan banyak digunakan dalam berbagai industri, seperti industri sabun, deterjen, produk kosmetika dan produk perawatan diri, farmasi, cat dan pelapis, kertas, tekstil, pertambangan (Hidayati, dkk. 2008).